作者：王玉
出版社：电子工业出版社
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现代电子装联对元器件及印制板的要求试读：
前言
电子装联技术是电子信息技术与电子制造技术的支撑，是衡量一个国家科技发展水平与综合国力的重要标准，也是推动产品实现小型化、高密化、智能化和高可靠性的重要技术。电子装联是指电子产品或电气产品在制造过程中所采取的电连接和机械连接的工艺过程的总和。电子装联过程就是把电子元器件按照设计要求（装焊图和原理图）准确地装焊到印制板的指定焊盘上，并保证各焊点符合标准规定的物理特性和电特性的要求。
显然，电子装联技术是一门工艺、结构、元件、器件、印制板、焊接辅料等紧密结合的多学科交叉工程技术，涉及多种技术及多种材料，而电子元器件和印制板是电子装联技术涉及的重要材料。一方面，不同企业的工艺条件、生产技术条件千差万别，产品复杂程度和生产类型也不相同，因而对电子元器件和印制板的应用也各具特点，有明显的差异性；另一方面，由于电子元器件和印制板类型不同，其加工时所采用材料的特点和工艺特性也不尽相同。因此，如何规范使用电子元器件和印制板，使所选用的电子元器件和印制板符合自身产品的特性，并具备批量可制造性，是每一个公司需要考虑的问题。
不同产业和不同企业的个性化很突出，对电子元器件和印制板的需求五花八门，而所选用的材料不一定适合各公司的生产条件。在很多情况下，材料的选用就直接决定了所生产产品的可制造性和产品的品质，甚至产品的实现。选择合适的电子元器件和印制电路板，并最终将其应用于产品上，实现产品的批量可制造性，是材料选型的重要目标。
企业对使用由各种电子元器件、原材料、半成品等制造成的电子产品的方法和过程中的重复性事件、工艺共性问题和概念进行优化，求得公认和统一便形成了工艺标准。电子元器件和印制板的选型标准是工艺标准的入口环节，通过材料选型工艺规范严格控制影响产品可制造性、产品品质的因素（元器件特性、组装方式、镀层、生产控制、包装等，以及对印制板在原材料评价、电子装联中的质量控制要求、表面镀层要求、关键的DFM设计要求，厂家的质量问题等）。在工艺学理论的指导下，制定精细而严密的工艺规范和工艺标准。在材料选型时按照规范要求选用，在材料应用中严格按照规范要求执行，才能保证产品质量，企业才能取得较好的经济效益。
本书是“现代电子制造系列丛书”中的一册，参加编写的人员有王世堉（第1、2、3、4章）、梁剑（第5、6、7章）、王玉（第8、9、11章）、魏新启（第10、12章）和赵丽（第13章）。
本书由樊融融研究员主审，并得到了中兴通讯制造工程研究院工艺研究部部长张加民、石一逴、技术总工刘哲和工艺专家贾忠中等同事的关心与支持，同时也得到了中兴通讯制造中心工艺部技术总工邱华盛等同志的协助，在此表示由衷的感谢！编著者第1章现代电子装联对元器件及印制板的要求
本章要点
电子装联中元器件及印制板的应用
电子装联材料的常见要求1.1 电子装联中元器件及印制板的应用
电子装联是指电子或电气产品在生产过程中所采用的电连接和装配的工艺过程。它是电子信息技术与电子行业的支撑，是衡量一个国家综合国力和科技水平的重要标志之一，也是电子产品实现小型化、轻型化、智能化和高可靠性的关键技术。
电子装联的过程就是把电子元器件（包含无源器件，有源器件，接插件等）按照设计要求准确地装联到PCB指定焊盘上，并保障各焊点符合规定的物理特性和电特性要求。1.2 电子装联材料的常见要求1.2.1 常见电子元器件的要求
鉴于电子元器件在电子装联中的重要地位，在进行电子元器件选用时，至少要遵循以下准则。
① 元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足产品的要求。
② 优先选用实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件，不允许选用淘汰和禁选的元器件。
③ 应选用成熟、可靠的元器件，禁止选用不成熟或未正式使用的产品。1.2.2 常见印制板的要求
印制板作为电子产品最主要的部件，是电子设备的基础，选择和应用优良可靠的印制板是保证设备具有高性能、高可靠性的基础，因此在应用时须满足以下基本要求。
① 印制板制造厂商的选择：挑选一个或几个通过质量认证的有信誉的生产厂家，最终产品设计方需要与印制板厂家共同开发双方认可的验收规范。
② 印制板是定制件，在电子产品的最初设计阶段，需要根据所选取的厂家的能力设计出能批量生产的印制板。
③ 印制板设计用的基板材料必须满足工业界普遍认可的技术标准，这样在印制板制作阶段，既能满足印制板厂家的制造要求，又能确保材料的交付，最终确保印制板的质量与交付。思考题
1．元器件的选用应遵循什么原则？
2．印制板是定制件，在应用时必须满足哪些基本要求？第2章电子装联常用元器件
本章要点
概述
常用电子元器件的分类及特点
常用电子元器件的制造过程
常用电子元器件的应用
各类电子元器件的常见问题2.1 概述
电子装联常见的电子元器件从大的类别上可分为电子元件和电子器件。电子元器件是小型的机器、仪器的组成部分，其本身常由若干零件构成，可以在同类产品中通用。
在加工时没改变原材料分子成分的产品称为元件，元件不需要能源，它包括：电阻器、电容器、电感器（又称被动元件Passive Components），如二极管、电阻器、连接器、插座、链接电缆等。
在加工时改变了原材料分子结构的产品称为器件，而器件又进一步分为主动器件和分立器件。主动器件的主要特点是自身消耗电能，需要外借电源；分立器件主要分为双极性晶体三极管、场效应晶体管、晶闸管、半导体电阻电容等，详细分类如图2.1所示。图2.1 元器件分类图
按照IPC标准，SMT元器件按照其端子形状主要分为：片式元器件（仅底部端子）、矩形或方形片式元器件（1、3或5面端子）、圆柱体帽形端子、城堡形端子、扁平欧翼形端子、圆形或扁圆鸥翼形引线、J形引线、垛形/I形链接、扁平焊片引线、底部端子元器件（BTC）、具有底部散热面端子的元器件、平头柱链接、特殊SMT端子、表面贴装连接器。
这里对封装形式进一步整理分类，如表2.1所示。表2.1 元器件分类表续表续表续表2.2 常用电子元器件的分类及特点2.2.1 片式元器件
Chip类元器件又称为片式元器件（SMC和SMD），是无引线或短引线的新型微小元器件，它适合于在没有穿通孔的印制板上安装，是SMT的专用元器件。与普通元器件相比，片式元器件可以直接安装在印制电路板上，所有焊点均在一个平面上。当然也可以与普通元器件混装在一块印制电路板上。
片式元器件具有如下特点。
● 片式元器件尺寸小、重量轻，安装密度高，体积和重量仅有前者的60%左右。
● 可靠性高，抗振性好，引线短，形状简单，能牢固地贴焊在印制电路板表面，可抗振动和冲击。
● 高频特性好，减少了引线分频特性的影响，降低了寄生电容和电感，增强了抗电磁干扰和射频干扰能力。
● 易于实现自动化，组装时无须在印制电路板上钻孔，无剪线、打弯等工序，降低了成本，易大规模生产。
片式元器件按其形状可分为矩形、圆形和异性（翼形、钩形）3类。
按功能分为片式无源元件、片式有源元件和机电元件3类。
1. 片式无源元件（阻容感）
● 片式电阻器：厚膜/薄膜电阻器、热敏电阻器。
● 片式电容器：陶瓷独石电容器、薄膜电容器、云母片电容器、微调电容器、铝电解电容器、钽电解电容器。
● 片式电位器：电位器、微调电位器。
● 片式电感器：绕线电感器、叠层电感器、可变电感器。
● 片式敏感元件：压敏电阻器、热敏电阻器。
2. 片式有源器件（见图2.2）图2.2 片式有源器件
● 小型封装二极管：塑封稳压二极管、整流二极管、开关二极管、齐纳二极管、变容二极管。
● 小型封装晶体管：塑封NPN晶体管（三极管）、塑封场效应管。
● 小型集成电路：扁平封装、芯片载体。2.2.2 IC元器件
IC元器件可以按不同维度进行分类，常见的分类方式如下所述：
1. 常见的分类
根据集成度来分，IC元器件可以分为分立器件、集成电路（即芯片）。
根据器件处理信号的类型不同可以分为模拟器件、数字器件、混合器件。
根据处理信号的功率大小不同可以分为信息电路和功率电路。
常见的IC器件包括处理器、单片机、电容器、电阻器、断路器、开关、继电器、二极管、FPGA、存储器、AD/DA转换器、LED、LCD显示屏等。
封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制电路板上的导线与其他器件相连。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。
封装大致经过了如下发展进程。
● 结构方面：DIP→SOP→PLCC→QFP→BGA。
● 材料方面：金属、陶瓷→陶瓷、塑料→塑料。
● 引脚形状：长引线直插→短引线或无引线贴装→球状凸点。
● 装配方式：通孔插装→表面组装→直接安装。
2. 按照封装形式分类
工艺上常按照封装形式进行分类，主要分为BGA、PGA、LGA、Flip-Chip、QFN、QFP、PLCC、SOJ、SOIC、DIP等。（1）DIP（双列直插封装，Dual-Line Package）
适合在PCB（印制电路板）上穿孔焊接，操作方便。芯片面积与封装面积比值较大，故体积也较大。封装结构如图2.3所示。图2.3 DIP封装（2）QFP（四面扁平封装，Plastic Quad Flat Package）
适用于SMT在PCB上安装布线；操作方便，可靠性高。芯片面积与封装面积比值较小。封装体结构如图2.4所示。图2.4 QFP封装（3）QFP（四侧无引脚扁平封装，Quad Flat Non-lead Package）
具有良好的电器和导热性能；体积小、高度低、重量轻。封装结构如图2.5所示。图2.5 QFN封装（4）BGA（Ball Grid Array）
这类封装根据具体封装形式的不同又有多种细分类，如PBGA（Plastic Ball Grid Array）、陶瓷封装CBGA（Ceramic BGA）、倒装芯片封装FCBGA（Flip Chip BGA）、载带型TBGA （Tap BGA）等。各类封装结构如图2.6所示。图2.6 四类BGA的封装（5）CSP（芯片级尺寸封装）
CSP与BGA结构基本一样，只是锡球直径和球中心距离缩小了、厚度更薄了；这样在相同封装尺寸时可有更多的I/O数，使组装密度进一步提高。详细的CSP的封装结构如图2.7所示。图2.7 CSP的封装2.2.3 连接器类
连接器是一种通常安装在电缆或设备上，通过机械的方式提供可分离的界面，用以连接两个电子系统的可分离元件（转接器除外），并且对系统的运作不会产生任何不可接受的作用，其应用范围十分广泛。国内也称作接插件、插头和插座。
连接器的结构基本分为以四个部分：
● 接触界面；
● 接触镀层；
● 接触弹性元件；
● 连接器塑胶本体。
图2.8所示为基本的连接器剖面图，图2.8（a）为接触处示意图，图2.8（b）为接触界面的微观结构图。图2.8 连接器微观结构
1. 接触界面
有两种不同的接触界面：可分离界面和固定（永久性）界面。可分离界面（见图2.8）由于在首要的地方使用连接器而被提到。固定（永久性）界面是当两个子系统相连时在连接器功能性定义中被提到的。这些界面被称为固定（永久性）界面是因为，一般说来它们只制造一次而固定使用。固定连接的例子包括位于图2.8左边的卷曲型连接和位于图2.8右边的压力型连接。在可分离性界面和固定连接之间存在很多不同点，包括结构上和需求上的，它们在基本元件上具有共同之处。在两种情况下，产生和维护金属接触界面时需要接触界面达到所需的电性能要求。此外，在两种情况下，金属界面是通过机械方式产生的。
可分离界面是在每次连接器配合时建立的。界面的结构主要由接触端的几何形状、端子之间的作用力及接触涂层决定。多固定式连接分属于两种基本类别：冶金式和机械式。冶金式如焊接，它要由连接器和子系统之间接触界面的结构决定。机械式的固定连接有卷曲型、insulation displacement、压力型、遮蔽型。
2. 接触镀层
接触镀层有两个重要的功能：
● 避免接触弹簧基部的金属腐蚀；
● 优化接触界面的结构。
第一个功能非常简单，仅仅需要接触弹簧组件（一般为铜合金）完全被涂层覆盖，并且涂层自身能防腐蚀且能像薄膜一样覆盖在表面。而第二个功能就是对出现在接触界面上的薄膜的规划管理。如前所述，一个稳定且较小的接触阻力由一个不含薄膜的金属界面产生。两种主要的接触涂层，贵重金属（金、钯及由它们组成的合金）涂层和非贵重金属（如锡）涂层，它们的不同主要是指在接触界面上的薄膜类型不同。对于贵重金属（尤其是金）来说，接触涂层是惰性的，维护接触界面的完整性需要防止外部涂层的薄膜形成，主要是防止铜的接触弹簧。对锡这种最常用的非贵重金属来说，存在于其表面的氧化问题是应主要考虑的。这些不同的腐蚀过程将被反映到连接器的设计标准和性能上。
3. 接触弹片
接触弹片在连接器上具有以下三个作用：
● 在组件之间提供一条导电路径；
● 产生、形成并维持接触弹片接触面的压力；
● 形成稳固的接触。
第一个作用，只要使用常用的铜或铜合金材料就可以轻易地达到令人满意的效果。其他两个作用就要复杂得多，并且涉及材料特性和设计参数之间的相互作用。
4. 连接器塑胶本体
连接器本体部分具有如下作用：
● 使各接触弹片相互隔离，不能电路导通；
● 固定各接触弹片；
● 对各接触弹片进行机械保护；
● 对各接触弹片进行工作环境的遮蔽保护。
由于连接器的结构日益多样化，新的结构和应用领域不断出现，试图用一种固定的模式来解决分类和命名问题已显得难以适应。尽管如此，一些基本的分类仍然是有效的。（1）互联的层次
互联的层次根据电子设备内外连接的功能不同可分为以下五个层次。
① 芯片封装的内部连接。
② IC封装引脚与PCB的连接：典型连接器IC插座。
③ 印制电路与导线或印制板的连接：典型连接器为印制电路连接器。
④ 底板与底板的连接：典型连接器为机柜式连接器。
⑤ 设备与设备之间的连接：典型产品为圆形连接器。
第③和④层次有某些重叠。在五个层次的连接器中，市场额最高的是第③和第⑤层次的产品，而目前增长最快的是第③层次的产品。（2）连接器规格的层次
按照国际电工委员会（IEC）的分类，连接器属于电子设备用机电元件，其规格层次如下。
● 门类（family）：如连接器；
● 分门类（sub-family）：如圆形连接器；
● 类型（type）：如YB型圆形连接器；
● 品种（style）：如YB3470；
● 规格（variant）。（3）连接器在我国的定义
在我国的行业管理中，把连接器与开关、键盘等统称为电接插元件，而电接插元件与继电器则统称为机电组件。（4）连接器的产品类别
连接器产品类型的划分虽然有些混乱，但从技术上看，连接器产品类别只有两种基本划分办法。①按外形结构：圆形和矩形（横截面）；②按工作频率：低频和高频（以3MHz为界）。
按照上述划分方法，同轴连接器属于圆形连接器，印制电路连接器属于矩形连接器（从历史上看，印制电路连接器确实是从矩形连接器中分离出来自成一类的），而目前流行的矩形连接器其截面为梯形，近似于矩形。以3MHz为界划分低频和高频与无线电波的频率划分也是基本一致的。
至于其他按用途、安装方式、特殊结构、特殊性能等，还可以划分出许多不同的类型，并常常出现在刊物和制造商的宣传品中，但一般只是为了突出某一特征和用途，基本分类仍然没有超出上述的划分原则。
考虑到连接器的技术发展和实际情况，按其通用性和相关的技术标准，连接器可划分以下几种（分门类）：①低频圆形连接器；②矩形连接器；③印制电路连接器；④射频连接器；⑤光纤连接器。（5）连接器的型号命名
连接器的型号命名是客户采购和制造商组织生产的依据。在国内外连接器行业中，产品型号命名有两种思路：一种是用字母代号加数字的办法，力求在型号命名中反映产品的主要结构特点。这种方式的好处是易于识别，但排列太长，过于复杂，随着连接器的小型化，给打印带来很多困难。目前国内仍流行这种方式，并在某些行业标准甚至国标中作出了规定，如SJ2298—1983（印制电路连接器）、SJ2297—1983（矩形连接器）、SJ2459—1984（带状电缆连接器）、GB 9538—1988（带状电缆连接器）等。由于连接器结构的日益多样化，在实践中用一种命名规则覆盖某一类连接器越来越困难。另一种思路是用阿拉伯数字组合。这种方式的好处是简洁，便于计算机管理和小型产品的标志打印。国际上主要的连接器制造商目前均采用这种方式。可以预计，由各制造商制订反映自身特色的命名办法将会逐渐取代在计划经济体制下由全行业统一规定某种命名规则的办法。（6）常用连接器的分类
● D型连接器；
● 射频连接器；
● 圆形连接器；
● 电话连接器；
● 扁平电缆连接器；
● 功率连接器；
● 端子类连接器；
● 标准间距连接器；
● 2mm连接器；
● 欧式连接器；
● 光线连接器；
● 非常用连接器。
① D型连接器（见图2.9）。
● D型普通：9芯、15芯、25芯、37芯。
● D型高密：15芯、26芯、44芯、62芯、78芯。
● 插座分直式、弯式；插头分导线压接、导线焊接。
● 插头插座均有公母之分。图2.9 D型连接器
② 射频连接器（见图2.10）。
● 射频连接器的型号由主称代号和结构代号两部分组成。
● 国际上通用的主称代号为SMA、SMB、MCX、N、BNC等。
● 结构代号：每个系列都有其特有的界面配合尺寸、接口连接形式，同系列内的不同规格型号主要取决于连接器多种多样的尾部端接形式。图2.10 射频连接器
③ 圆形连接器。
圆形连接器广泛应用于航天设备，所以又叫航空插头，如图2.11所示。其具有通流大、接触可靠、密封性/连接性/屏蔽效果优越等特性。图2.11 圆形连接器
④ 电话连接器。
电话连接器主要分为4P4C、RJ45/8P8C、2P2C、RJ11/6P2C等，如图2.12所示的RJ连接器。图2.12 RJ连接器
⑤ 扁平电缆连接器。
扁平电缆连接器的锁紧装置有如下方式。
● 规格：10芯、14芯、20芯、26芯、34芯、40芯、50芯、60芯。
● 组装方式：PCB焊接、PCB表面贴装。
● 引脚间距：2.54mm、2.0mm。
● 是否带锁紧装置。
⑥ 功率连接器。
按照功率大小分为：大功率连接器和小功率连接器，如图2.13所示。图2.13 功率连接器
⑦ 端子类连接器。
常用的规格有：裸端子连接器、绝缘端子连接器等，如图2.14所示。图2.14 端子类连接器
⑧ 标准间距连接器。
常用规格有1.0mm、1.25mm、1.27mm、2.0mm、2.5mm、2.54mm、3.81mm、3.96mm、5.0mm、5.08mm，如图2.15所示。
按照组装类型分为：PCB到PCB标准间距连接器、PCB到电缆标准间距连接器、跳线/短接标准间距连接器。图2.15 标准间距连接器
⑨ 欧式连接器。
欧式连接器主要用于单板到背板的连接（如图2.16所示）、板到板平行连接、板到板水平连接等。类型主要有R型、M型、B型、C型、Q型。
⑩ 非常用连接器。
非常用连接器包括FPC连接器、USB连接器、音视频连接器、HDMI连接器等，如图2.17所示。图2.16 欧式连接器图2.17 非常用连接器2.2.4 电感及变压器类
常见电感分为如下几种：电源电路、滤波电感、匹配电感，如图2.18所示。图2.18 电感的分类
常见变压器主要分为两类：外购变压器和外协变压器。其中外购变压器又分为通信分离器、通信脉冲变压器（贴/插）、以太网变压器（贴/插）、射频变压器。而外协变压器分为外协插件变压器、平面变压器、电源贴片变压器、工频电感变压器。几种常用的变压器如图2.19所示。图2.19 常见的变压器2.2.5 插件元器件类
插件类元器件按照加工工艺不同又分为手工焊插件、波峰焊插件、通孔回流焊插件。三者的差别主要在可支持的工艺类型上（主要受元器件本身耐温性的影响）。
按照元器件类型分为轴向分立插件、径向分立插件、单列直插、双列直插、阵列插装等（结构多样化，可适用于各种类型的封装结构），如图2.20所示。图2.20 常见插件2.3 常用电子元器件的制造过程2.3.1 片式元器件的制造过程
1. 片式电阻的制造过程
当前电阻按照是否抗硫化分成两大类：普通电容和抗硫化电阻（见图2.21）。两者的区别主要在于是否对内电极的材质进行了改善，是否延伸了保护性界面以改善抗硫化性能。图2.21 普通电阻和抗硫化电阻
电阻的生产过程如图2.22所示。图2.22 电阻的生产过程
2. 片式电容的制造过程
贴片陶瓷电容的内部结构如图2.23所示。图2.23 陶瓷电容的结构
陶瓷电容的制作工艺过程如图2.24所示。图2.24 陶瓷电容的生产流程
配料：按照配方要求配置具有一定物料性能的陶瓷浆料，以供流延制模用。主要生产设备为球磨机。
流延：通过钢带或薄膜流延机将陶瓷浆料流延成陶瓷膜片或膜带。主要生产设备为流延机。
丝印：在陶瓷膜片或膜带上印刷一层电极浆料，形成内电极。主要生产设备为丝印机。
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